La gravité

En physique, la gravité (du latin gravitas « poids » ^[1] ) est une interaction fondamentale qui fait que toutes les choses ayant une masse ou de l’énergie sont attirées (ou gravitent ) les unes vers les autres. La gravité est de loin la plus faible des quatre interactions fondamentales, environ 10 ³⁸ fois plus faible que l’ interaction forte , 10 ³⁶ fois plus faible que la Force électromagnétique et 10 ²⁹ fois plus faible que l’ interaction faible . Par conséquent, il n’a pas d’influence significative au niveau departicules subatomiques . ^[2] Cependant, la gravité est l’interaction la plus importante entre les objets à l’ échelle macroscopique et elle détermine le mouvement des planètes , des étoiles , des galaxies et même de la lumière .

Une illustration du champ gravitationnel qui maintient le système solaire ensemble

Sur Terre , la gravité donne du poids aux objets physiques , et la gravité de la Lune provoque des marées dans les océans. La gravité a également de nombreuses fonctions biologiques importantes, aidant à guider la croissance des plantes à travers le processus de gravitropisme et influençant la circulation des fluides dans les organismes multicellulaires . Une enquête sur les effets de l’ apesanteur a montré que la gravité peut jouer un rôle dans le fonctionnement du système immunitaire et la différenciation cellulaire dans le corps humain.

L’attraction gravitationnelle entre la matière gazeuse d’origine dans l’ Univers lui a permis de fusionner et de former des étoiles qui se sont finalement condensées en galaxies, de sorte que la gravité est responsable de nombreuses structures à grande échelle dans l’Univers. La gravité a une portée infinie, bien que ses effets s’affaiblissent à mesure que les objets s’éloignent.

La gravité est décrite avec le plus de précision par la théorie générale de la relativité (proposée par Albert Einstein en 1915), qui décrit la gravité non pas comme une force, mais comme la courbure de l’ espace -temps , causée par la répartition inégale de la masse, et provoquant le déplacement des masses le long de géodésiques . lignes. L’exemple le plus extrême de cette courbure de l’espace-temps est un trou noir , duquel rien, pas même la lumière, ne peut s’échapper une fois passé l’ horizon des événements du trou noir . ^[3] Cependant, pour la plupart des applications, la gravité est bien approchée par la loi de gravitation universelle de Newton , qui décrit la gravité comme une forceprovoquant l’attraction de deux corps quelconques l’un vers l’autre, avec une amplitude proportionnelle au produit de leurs masses et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

Les modèles actuels de la physique des particules impliquent que la première instance de gravité dans l’Univers, peut-être sous la forme de gravité quantique , de supergravité ou d’une singularité gravitationnelle , ainsi que de l’ espace et du temps ordinaires , s’est développée pendant l’ époque de Planck (jusqu’à 10 ⁻⁴³ secondes après la naissance de l’Univers), peut-être d’un état primitif, tel qu’un Faux vide , un Vide quantique ou une particule virtuelle , d’une manière actuellement inconnue. ^[4]Les scientifiques travaillent actuellement à développer une théorie de la gravité cohérente avec la mécanique quantique , une théorie de la gravité quantique , qui permettrait à la gravité d’être unie dans un cadre mathématique commun (une théorie du tout ) avec les trois autres interactions fondamentales de la physique.

Histoire

Ancien monde

La nature et le mécanisme de la gravité ont été explorés par un large éventail d’érudits anciens. En Grèce , Aristote croyait que les objets tombaient vers la Terre parce que la Terre était le centre de l’Univers et attirait toute la masse de l’Univers vers elle. Il pensait également que la vitesse d’un objet en chute devait augmenter avec son poids, une conclusion qui s’est avérée fausse par la suite. ^[5] Alors que le point de vue d’Aristote était largement accepté dans toute la Grèce antique, il y avait d’autres penseurs tels que Plutarque qui ont correctement prédit que l’attraction de la gravité n’était pas unique à la Terre. ^[6]

Bien qu’il n’ait pas compris la gravité comme une force, le philosophe grec Archimède a découvert le Centre de gravité d’un triangle. ^[7] Il a également postulé que si deux poids égaux n’avaient pas le même Centre de gravité, le Centre de gravité des deux poids ensemble serait au milieu de la ligne qui joint leurs centres de gravité. ^[8]

En Inde , le mathématicien-astronome Aryabhata a d’ abord identifié la gravité pour expliquer pourquoi les objets ne sont pas chassés de la Terre par la force centrifuge de la rotation de la planète . Plus tard, au septième siècle de notre ère, Brahmagupta a proposé l’idée que la gravité est une force attractive qui attire les objets vers la Terre et a utilisé le terme gurutvākarṣaṇ pour le décrire. ^{[9] [10] [11]} Cette recherche a conduit certaines personnes à affirmer que Brahmagupta, et non Isaac Newton , était responsable de la “découverte” de la gravité. ^{[12] [13]}

Dans l’ancien Moyen-Orient , la gravité était un sujet de débat féroce. L’ intellectuel persan Al-Biruni croyait que la force de gravité n’était pas unique à la Terre, et il supposait à juste titre que d’autres corps célestes devaient également exercer une attraction gravitationnelle. ^[14] En revanche, Al-Khazini tenait la même position qu’Aristote selon laquelle toute matière dans l’Univers est attirée vers le centre de la Terre. ^[15]

La tour penchée de Pise , où Galilée a réalisé l’une des expériences les plus célèbres sur la vitesse de chute d’objets

Révolution scientifique

Au milieu du XVIe siècle, divers scientifiques européens ont expérimentalement réfuté la notion aristotélicienne selon laquelle les objets plus lourds tombent à un rythme plus rapide. ^[16] En particulier, le prêtre dominicain espagnol Domingo de Soto écrivait en 1551 que les corps en chute libre s’accéléraient uniformément. ^[16] De Soto peut avoir été influencé par des expériences antérieures menées par d’autres prêtres dominicains en Italie, y compris celles de Benedetto Varchi , Francesco Beato, Luca Ghini et Giovan Bellaso qui contredisaient les enseignements d’Aristote sur la chute des corps. ^[16]Le physicien italien du milieu du XVIe siècle Giambattista Benedetti a publié des articles affirmant qu’en raison de la gravité spécifique , des objets faits du même matériau mais avec des masses différentes tomberaient à la même vitesse. ^[17] Avec l’ expérience de la tour de Delft en 1586 , le physicien flamand Simon Stevin a observé que deux boulets de canon de tailles et de poids différents tombaient au même rythme lorsqu’ils étaient lâchés d’une tour. ^[18] Enfin, à la fin du XVIe siècle, Galileo Galilei a réalisé sa célèbre expérience de la tour penchée de Pise afin de montrer une fois de plus que des boules de poids différents tomberaient à la même vitesse. ^[19]En combinant ces connaissances avec des mesures minutieuses de balles roulant sur des pentes , Galileo a fermement établi que l’accélération gravitationnelle est la même pour tous les objets. ^[20] Galileo a postulé que la résistance de l’air est la raison pour laquelle les objets de faible densité et de grande surface tombent plus lentement dans une atmosphère.

En 1604, Galilée a correctement émis l’hypothèse que la distance d’un objet qui tombe est proportionnelle au carré du temps écoulé. ^[21] Cela a été confirmé plus tard par les scientifiques italiens Jésuites Grimaldi et Riccioli entre 1640 et 1650. Ils ont également calculé la magnitude de La gravité terrestre en mesurant les oscillations d’un pendule. ^[22]

Théorie de la gravitation de Newton

Physicien et mathématicien anglais, Sir Isaac Newton (1642-1727)

En 1684, Newton envoya un manuscrit à Edmond Halley intitulé De motu corporum in gyrum (“Sur le mouvement des corps en orbite”) , qui fournissait une justification physique aux lois de Kepler sur le mouvement planétaire . ^[23] Halley a été impressionné par le manuscrit et a exhorté Newton à le développer, et quelques années plus tard, Newton a publié un livre révolutionnaire intitulé Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ( Principes mathématiques de la philosophie naturelle).). Dans ce livre, Newton a décrit la gravitation comme une force universelle et a affirmé que “les forces qui maintiennent les planètes dans leurs orbes doivent [être] réciproquement comme les carrés de leurs distances par rapport aux centres autour desquels elles tournent”. Cette déclaration a ensuite été condensée dans la loi du carré inverse suivante :

F = g m 1 m 2 r 2 , {displaystyle F=G{frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}},} où F est la force, m ₁ et m ₂ sont les masses des objets en interaction, r est la distance entre les centres des masses et G est la constante gravitationnelle .

Les Principia de Newton ont été bien accueillis par la communauté scientifique et sa loi de la gravitation s’est rapidement répandue dans le monde européen. ^[24] Plus d’un siècle plus tard, en 1821, sa théorie de la gravitation a atteint une importance encore plus grande lorsqu’elle a été utilisée pour prédire l’existence de Neptune . Cette année-là, l’astronome français Alexis Bouvard a utilisé cette théorie pour créer une table modélisant l’orbite d’ Uranus , dont il a été démontré qu’elle différait considérablement de la trajectoire réelle de la planète. Afin d’expliquer cette divergence, de nombreux astronomes ont émis l’hypothèse qu’il pourrait y avoir un grand objet au-delà de l’orbite d’Uranus qui perturbait l’orbite de Neptune. En 1846, les astronomes John Couch Adamset Urbain Le Verrier ont indépendamment utilisé la loi de Newton pour prédire l’emplacement de Neptune dans le ciel nocturne, et la planète y a été découverte en une journée. ^[25]

Une divergence dans l’orbite de Mercure a mis en évidence des failles dans la théorie de Newton. À la fin du 19e siècle, on savait que son orbite présentait de légères perturbations qui ne pouvaient pas être entièrement expliquées par la théorie de Newton, mais toutes les recherches d’un autre corps perturbateur (comme une planète en orbite autour du Soleil encore plus proche que Mercure) avaient été infructueux. Le problème a été résolu en 1915 par la nouvelle théorie de la relativité générale d’ Albert Einstein , qui expliquait le petit écart dans l’orbite de Mercure. Cet écart était l’avance du périhélie de Mercure de 42,98 secondes d’arc par siècle. ^[26]

Bien que la théorie de Newton ait été remplacée par la relativité générale d’Albert Einstein, la plupart des calculs gravitationnels non relativistes modernes sont toujours effectués à l’aide de la théorie de Newton car elle est plus simple à utiliser et donne des résultats suffisamment précis pour la plupart des applications impliquant des masses, des vitesses et des énergies suffisamment petites.

Relativité générale

En relativité générale , les effets de la gravitation sont attribués à la courbure de l’ espace-temps au lieu d’une force. Le point de départ de la relativité générale est le principe d’équivalence , qui assimile la chute libre au mouvement inertiel et décrit les objets inertiels en chute libre comme étant accélérés par rapport aux observateurs non inertiels au sol. ^{[27] [28]} Dans la physique newtonienne , cependant, aucune telle accélération ne peut se produire à moins qu’au moins un des objets ne soit actionné par une force.

Einstein a proposé que l’espace-temps est courbé par la matière et que les objets en chute libre se déplacent le long de trajectoires localement droites dans un espace-temps courbe. Ces lignes droites sont appelées géodésiques . Comme la première loi du mouvement de Newton, la théorie d’Einstein stipule que si une force est appliquée sur un objet, elle s’écarterait d’une géodésique. Par exemple, nous ne suivons plus les géodésiques en position debout car la résistance mécanique de la Terre exerce une force ascendante sur nous, et nous sommes donc non inertiels au sol. Cela explique pourquoi le déplacement le long des géodésiques dans l’espace-temps est considéré comme inertiel.

Einstein a découvert les équations de champ de la relativité générale, qui relient la présence de matière et la courbure de l’espace-temps et portent son nom. Les équations de champ d’Einstein sont un ensemble de 10 équations différentielles non linéaires simultanées . Les solutions des équations de champ sont les composantes du tenseur métrique de l’espace-temps. Un tenseur métrique décrit une géométrie de l’espace-temps. Les chemins géodésiques pour un espace-temps sont calculés à partir du tenseur métrique.

Solutions

Les solutions notables des équations de champ d’Einstein comprennent :

• La Solution de Schwarzschild , qui décrit l’espace-temps entourant un objet massif non chargé non rotatif à symétrie sphérique . Pour des objets suffisamment compacts, cette solution a généré un trou noir avec une singularité centrale . Pour des distances radiales au centre bien supérieures au rayon de Schwarzschild , les accélérations prédites par la Solution de Schwarzschild sont pratiquement identiques à celles prédites par la théorie de la gravité de Newton.
• La solution de Reissner-Nordström , dans laquelle l’objet central a une charge électrique. Pour des charges de longueur géométrisée inférieure à la longueur géométrisée de la masse de l’objet, cette solution produit des trous noirs à double horizon des événements .
• La solution Kerr pour la rotation d’objets massifs. Cette solution produit également des trous noirs avec plusieurs horizons d’événements.
• La solution Kerr-Newman pour les objets massifs chargés et rotatifs. Cette solution produit également des trous noirs avec plusieurs horizons d’événements.
• La solution cosmologique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker , qui prédit l’expansion de l’Univers.

Essais

Les tests de relativité générale comprenaient ce qui suit : ^[29]

• La relativité générale explique la précession anormale du périhélie de Mercure . ^[30]
• La prédiction selon laquelle le temps s’écoule plus lentement à des potentiels inférieurs ( dilatation gravitationnelle du temps ) a été confirmée par l’ expérience Pound-Rebka (1959), l’ expérience Hafele-Keating et le GPS .
• La prédiction de la déviation de la lumière a été confirmée pour la première fois par Arthur Stanley Eddington à partir de ses observations lors de l ‘ éclipse solaire du 29 mai 1919 . ^{[31] [32]} Eddington a mesuré les déviations de la lumière des étoiles deux fois celles prédites par la théorie corpusculaire newtonienne, conformément aux prédictions de la relativité générale. Cependant, son interprétation des résultats a ensuite été contestée. ^[33] Des tests plus récents utilisant des mesures radio interférométriques de quasars passant derrière le Soleil ont confirmé avec plus de précision et de cohérence la déviation de la lumière au degré prédit par la relativité générale. ^[34] Voir aussi lentille gravitationnelle .
• Le retard de la lumière passant à proximité d’un objet massif a été identifié pour la première fois par Irwin I. Shapiro en 1964 dans les signaux des engins spatiaux interplanétaires.
• Le Rayonnement gravitationnel a été indirectement confirmé par des études de pulsars binaires . Le 11 février 2016, les collaborations LIGO et Virgo ont annoncé la première observation d’une onde gravitationnelle .
• Alexander Friedmann en 1922 a découvert que les équations d’Einstein ont des solutions non stationnaires (même en présence de la constante cosmologique ). En 1927 , Georges Lemaître a montré que les solutions statiques des équations d’Einstein, qui sont possibles en présence de la constante cosmologique, sont instables, et donc l’Univers statique envisagé par Einstein ne pouvait pas exister. Plus tard, en 1931, Einstein lui-même était d’accord avec les résultats de Friedmann et Lemaître. Ainsi, la relativité générale a prédit que l’Univers devait être non statique – il devait soit s’étendre, soit se contracter. L’expansion de l’Univers découverte par Edwin Hubble en 1929 a confirmé cette prédiction. ^[35]
• La prédiction de la théorie du glissement du cadre était cohérente avec les récents résultats de Gravity Probe B. ^[36]
• La relativité générale prédit que la lumière devrait perdre son énergie lorsqu’elle s’éloigne de corps massifs par décalage gravitationnel vers le rouge . Cela a été vérifié sur Terre et dans le système solaire vers 1960.

Gravité et mécanique quantique

Une question ouverte est de savoir s’il est possible de décrire les interactions à petite échelle de la gravité avec le même cadre que la mécanique quantique . La relativité générale décrit les propriétés globales à grande échelle tandis que la mécanique quantique est le cadre pour décrire les interactions à plus petite échelle de la matière. Sans modifications, ces frameworks sont incompatibles. ^[37]

Une voie consiste à décrire la gravité dans le cadre de la théorie quantique des champs , qui a réussi à décrire avec précision les autres interactions fondamentales . La Force électromagnétique provient d’un échange de photons virtuels , où la description QFT de la gravité est qu’il y a un échange de gravitons virtuels . ^{[38] [39]} Cette description reproduit la relativité générale dans la limite classique . Cependant, cette approche échoue à de courtes distances de l’ordre de la longueur de Planck , ^[37] où une théorie plus complète de la gravité quantique (ou une nouvelle approche de la mécanique quantique) est nécessaire.

Détails

La gravité terrestre

Un objet initialement stationnaire qui est autorisé à tomber librement sous l’effet de la gravité chute d’une distance proportionnelle au carré du temps écoulé. Cette image dure une demi-seconde et a été capturée à 20 flashs par seconde.

Chaque corps planétaire (y compris la Terre) est entouré de son propre champ gravitationnel, qui peut être conceptualisé avec la physique newtonienne comme exerçant une force d’attraction sur tous les objets. En supposant une planète à symétrie sphérique, la force de ce champ à tout point donné au-dessus de la surface est proportionnelle à la masse du corps planétaire et inversement proportionnelle au carré de la distance du centre du corps.

Si un objet de masse comparable à celle de la Terre tombait vers lui, alors l’accélération correspondante de la Terre serait observable.

La force du champ gravitationnel est numériquement égale à l’accélération des objets sous son influence. ^[40] Le taux d’accélération des chutes d’objets près de la surface de la Terre varie très légèrement en fonction de la latitude, des caractéristiques de surface telles que les montagnes et les crêtes, et peut-être des densités de sous-surface inhabituellement élevées ou faibles. ^[41] Aux fins des poids et mesures, une valeur de gravité standard est définie par le Bureau international des poids et mesures , dans le cadre du Système international d’unités (SI).

Cette valeur, notée g , est g = 9,80665 m/s ² (32,1740 ft/s ² ). ^{[42] [43]}

La valeur standard de 9,80665 m/s ² est celle adoptée à l’origine par le Comité international des poids et mesures en 1901 pour 45° de latitude, même si elle s’est avérée trop élevée d’environ cinq pour dix mille. ^[44] Cette valeur a persisté en météorologie et dans certaines atmosphères standards comme la valeur pour 45° de latitude même si elle s’applique plus précisément à la latitude de 45°32’33”. ^[45]

En supposant la valeur normalisée de g et en ignorant la résistance de l’air, cela signifie qu’un objet tombant librement près de la surface de la Terre augmente sa vitesse de 9,80665 m/s (32,1740 pieds/s ou 22 mph) pour chaque seconde de sa descente. Ainsi, un objet partant du repos atteindra une vitesse de 9,80665 m/s (32,1740 ft/s) après une seconde, environ 19,62 m/s (64,4 ft/s) après deux secondes, et ainsi de suite, en ajoutant 9,80665 m/s (32,1740 ft/s) à chaque vitesse résultante. De plus, en ignorant à nouveau la résistance de l’air, tous les objets, lorsqu’ils sont lâchés de la même hauteur, toucheront le sol en même temps.

Une tour tombante pour des expériences de gravité, Université de Brême , Allemagne .

Selon la 3e loi de Newton , la Terre elle-même subit une force égale en amplitude et opposée en direction à celle qu’elle exerce sur un objet qui tombe. Cela signifie que la Terre accélère également vers l’objet jusqu’à ce qu’ils entrent en collision. Parce que la masse de la Terre est énorme, cependant, l’accélération conférée à la Terre par cette force opposée est négligeable par rapport à celle de l’objet. Si l’objet ne rebondit pas après être entré en collision avec la Terre, chacun d’eux exerce alors une force de contact répulsive sur l’autre qui équilibre efficacement la force d’attraction de la gravité et empêche toute accélération supplémentaire.

La force de gravité sur Terre est la résultante (somme vectorielle) de deux forces : ^[46] (a) L’attraction gravitationnelle selon la loi universelle de gravitation de Newton, et (b) la force centrifuge, qui résulte du choix d’un cadre de référence terrestre et rotatif. La force de gravité est la plus faible à l’équateur en raison de la force centrifuge causée par la rotation de la Terre et parce que les points de l’équateur sont les plus éloignés du centre de la Terre. La force de gravité varie avec la latitude et augmente d’environ 9,780 m/s ² à l’équateur à environ 9,832 m/s ² aux pôles.

Équations pour un corps tombant près de la surface de la Terre

Sous une hypothèse d’attraction gravitationnelle constante, la loi de gravitation universelle de Newton se simplifie en F = mg , où m est la masse du corps et g est un vecteur constant d’une magnitude moyenne de 9,81 m/s ² sur Terre. Cette force résultante est le poids de l’objet. L’accélération due à la pesanteur est égale à ce g . Un objet initialement stationnaire qui est autorisé à tomber librement sous l’effet de la gravité chute d’une distance proportionnelle au carré du temps écoulé. L’image de droite, d’une durée d’une demi-seconde, a été capturée avec un flash stroboscopique à 20 flashs par seconde. Au cours du premier 1 ⁄20 de seconde la balle chute d’une unité de distance (ici, une unité vaut environ 12 mm) ; en 2 ⁄ 20 , il a chuté de 4 unités au total ; par 3 ⁄ 20 , 9 unités et ainsi de suite.

Sous les mêmes hypothèses de gravité constante, l’ énergie potentielle , E _p , d’un corps à la hauteur h est donnée par E _p = mgh (ou E _p = Wh , avec W signifiant poids). Cette expression n’est valable que sur de petites distances h de la surface de la Terre. De même, l’expression h = v 2 2 g {displaystyle h={tfrac {v^{2}}{2g}}} car la hauteur maximale atteinte par un corps projeté verticalement avec une vitesse initiale v n’est utile que pour les petites hauteurs et les petites vitesses initiales.

Gravité et astronomie

La gravité agit sur les étoiles qui forment la Voie lactée . ^[47]

L’application de la loi de gravité de Newton a permis l’acquisition d’une grande partie des informations détaillées dont nous disposons sur les planètes du système solaire, la masse du Soleil et les détails des quasars ; même l’existence de la matière noire est déduite en utilisant la loi de gravité de Newton. Bien que nous n’ayons pas voyagé sur toutes les planètes ni sur le Soleil, nous connaissons leurs masses. Ces masses sont obtenues en appliquant les lois de la gravité aux caractéristiques mesurées de l’orbite. Dans l’espace, un objet maintient son orbite grâce à la force de gravité qui agit sur lui. Les planètes orbitent autour des étoiles, les étoiles orbitent autour des centres galactiques , les galaxies orbitent autour d’un centre de masse dans des amas et les amas orbitent dans des superamas. La force de gravité exercée sur un objet par un autre est directement proportionnelle au produit des masses de ces objets et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare.

La gravité la plus ancienne (éventuellement sous la forme de gravité quantique, de supergravité ou d’une singularité gravitationnelle ), ainsi que l’espace et le temps ordinaires, se sont développées à l’ époque de Planck (jusqu’à 10 ^-43 secondes après la naissance de l’Univers), peut-être à partir d’un univers primitif état (tel qu’un Faux vide , un Vide quantique ou une particule virtuelle ), d’une manière actuellement inconnue. ^[4]

Rayonnement gravitationnel

L’ observatoire LIGO Hanford situé à Washington, aux États-Unis, où les ondes gravitationnelles ont été observées pour la première fois en septembre 2015.

La relativité générale prédit que l’énergie peut être transportée hors d’un système par le Rayonnement gravitationnel. Toute matière en accélération peut créer des courbures dans la métrique de l’espace-temps, c’est ainsi que le Rayonnement gravitationnel est transporté loin du système. Les objets co-orbitants peuvent générer des courbures dans l’espace-temps telles que le système Terre-Soleil, des paires d’étoiles à neutrons et des paires de trous noirs. Un autre système astrophysique qui devrait perdre de l’énergie sous forme de Rayonnement gravitationnel est l’explosion de supernovae.

La première preuve indirecte du Rayonnement gravitationnel a été obtenue par des mesures du binaire Hulse-Taylor en 1973. Ce système se compose d’un pulsar et d’une étoile à neutrons en orbite l’un autour de l’autre. Sa période orbitale a diminué depuis sa découverte initiale en raison d’une perte d’énergie, ce qui est cohérent avec la quantité de perte d’énergie due au Rayonnement gravitationnel. Cette recherche a reçu le prix Nobel de physique en 1993.

La première preuve directe de Rayonnement gravitationnel a été mesurée le 14 septembre 2015 par les détecteurs LIGO . Les ondes gravitationnelles émises lors de la collision de deux trous noirs à 1,3 milliard d’années-lumière de la Terre ont été mesurées. ^{[48] ​​[49]} Cette observation confirme les prédictions théoriques d’Einstein et d’autres que de telles vagues existent. Il ouvre également la voie à l’observation pratique et à la compréhension de la nature de la gravité et des événements dans l’Univers, y compris le Big Bang. ^[50] La formation d’ étoiles à neutrons et de trous noirs crée également des quantités détectables de Rayonnement gravitationnel. ^[51] Cette recherche a reçu le prix Nobel de physique en 2017. ^[52]

À partir de 2020 ^[update], le Rayonnement gravitationnel émis par le système solaire est bien trop petit pour être mesuré avec la technologie actuelle.

Vitesse de gravité

En décembre 2012, une équipe de recherche en Chine a annoncé avoir produit des mesures du déphasage des marées terrestres lors des pleines et des nouvelles lunes qui semblent prouver que la vitesse de la gravité est égale à la vitesse de la lumière. ^[53] Cela signifie que si le Soleil disparaissait soudainement, la Terre continuerait à orbiter normalement autour du point vacant pendant 8 minutes, ce qui correspond au temps que la lumière met pour parcourir cette distance. Les découvertes de l’équipe ont été publiées dans le Chinese Science Bulletin en février 2013. ^[54]

En octobre 2017, les détecteurs LIGO et Virgo ont reçu des signaux d’ondes gravitationnelles dans les 2 secondes suivant les satellites à rayons gamma et les télescopes optiques voyant des signaux provenant de la même direction. Cela a confirmé que la vitesse des ondes gravitationnelles était la même que la vitesse de la lumière. ^[55]

Anomalies et divergences

Certaines observations ne sont pas suffisamment prises en compte, ce qui peut indiquer la nécessité de meilleures théories de la gravité ou peut-être être expliqué d’une autre manière.

Courbe de rotation d’une galaxie spirale typique : prédite ( A ) et observée ( B ). L’écart entre les courbes est attribué à la matière noire .

• Étoiles extra-rapides : Les étoiles dans les galaxies suivent une distribution de vitesses où les étoiles à la périphérie se déplacent plus vite qu’elles ne le devraient selon les distributions observées de la matière normale. Les galaxies au sein des amas de galaxies montrent un schéma similaire. La matière noire , qui interagirait par gravitation mais pas électromagnétiquement, expliquerait l’écart. Diverses modifications de la dynamique newtonienne ont également été proposées.
• Anomalie de survol : divers engins spatiaux ont connu une accélération plus importante que prévu lorsmanœuvres d’assistance par gravité .
• Accélération de l’expansion : L’ expansion métrique de l’espace semble s’accélérer. L’énergie noire a été proposée pour expliquer cela. Une explication alternative récente est que la géométrie de l’espace n’est pas homogène (en raison des amas de galaxies) et que lorsque les données sont réinterprétées pour en tenir compte, l’expansion ne s’accélère pas après tout, ^[56] cependant cette conclusion est contestée . ^[57]
• Augmentation anormale de l’ unité astronomique : Des mesures récentes indiquent que les orbites planétaires s’élargissent plus rapidement que si cela se faisait uniquement par le Soleil perdant de la masse en rayonnant de l’énergie.
• Photons extra-énergétiques : Les photons voyageant à travers les amas de galaxies devraient gagner de l’énergie puis la perdre à nouveau en sortant. L’expansion accélérée de l’Univers devrait empêcher les photons de restituer toute l’énergie, mais même en tenant compte de cela, les photons du rayonnement de fond cosmique des micro-ondes gagnent deux fois plus d’énergie que prévu. Cela peut indiquer que la gravité diminue plus rapidement que l’inverse du carré à certaines échelles de distance. ^[58]
• Nuages ​​d’hydrogène extra massifs : Les raies spectrales de la forêt Lyman-alpha suggèrent que les nuages ​​d’hydrogène sont plus agglutinés à certaines échelles que prévu et, comme le flux sombre , peuvent indiquer que la gravité diminue plus lentement que l’inverse du carré à certaines échelles de distance. ^[58]

Théories alternatives

Théories alternatives historiques

• Théorie aristotélicienne de la gravité
• La théorie de la gravitation de Le Sage (1784) également appelée gravité de LeSage mais proposée à l’origine par Fatio et élaborée plus avant par Georges-Louis Le Sage , basée sur une explication basée sur les fluides où un gaz léger remplit tout l’Univers.
• Théorie de la gravitation de Ritz , Ann. Chim. Phys. 13, 145, (1908) pp. 267–271, Weber-Gauss électrodynamique appliquée à la gravitation. Avancement classique du périhélie.
• La théorie de la gravitation de Nordström (1912, 1913), un des premiers concurrents de la relativité générale.
• Théorie de Kaluza Klein (1921)
• La théorie de la gravitation de Whitehead (1922), un autre concurrent précoce de la relativité générale.

Théories alternatives modernes

• Théorie de la gravité de Brans-Dicke (1961) ^[59]
• Gravité induite (1967), une proposition d’ Andrei Sakharov selon laquelle la relativité générale pourrait découler des théories quantiques des champs de la matière
• Théorie des cordes (fin des années 1960)
• ƒ(R) gravité (1970)
• Théorie de Horndeski (1974) ^[60]
• Supergravité (1976)
• Dans la dynamique newtonienne modifiée (MOND) (1981), Mordehai Milgrom propose une modification de la seconde loi du mouvement de Newton pour les petites accélérations ^[61]
• La théorie de la cosmologie d’auto-création de la gravité (1982) par GA Barber dans laquelle la théorie de Brans-Dicke est modifiée pour permettre la création de masse
• Gravité quantique en boucle (1988) par Carlo Rovelli , Lee Smolin et Abhay Ashtekar
• Théorie gravitationnelle non symétrique (NGT) (1994) par John Moffat
• Gravité tenseur -vecteur-scalaire (TeVeS) (2004), une modification relativiste de MOND par Jacob Bekenstein
• Théorie du caméléon (2004) par Justin Khoury et Amanda Weltman .
• Théorie du pressuron (2013) par Olivier Minazzoli et Aurélien Hees .
• Gravité conforme ^[62]
• La gravité en tant que force entropique , la gravité résultant en tant que phénomène émergent du concept thermodynamique d’entropie.
• Dans la théorie du vide superfluide, la gravité et l’espace-temps courbe apparaissent comme un mode d’ excitation collectif du superfluide de fond non relativiste .
• La gravité massive , une théorie où les gravitons et les ondes gravitationnelles ont une masse non nulle

Voir également

• Anti-gravité , l’idée de neutraliser ou de repousser la gravité
• Gravité artificielle
• Loi de Gauss pour la gravité
• Potentiel gravitationnel
• Environnement micro-g , également appelé microgravité
• Les lois du mouvement de Newton
• Paramètre gravitationnel standard
• Apesanteur

Notes de bas de page

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Lectures complémentaires

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• “Gravitation” , Encyclopédie des mathématiques , EMS Press , 2001 [1994]
• “Gravitation, théorie de” , Encyclopédie des mathématiques , EMS Press , 2001 [1994]

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